02-2 立方相关公式 · 02

差的立方公式:
公式推导与几何解析

本节先从代数运算推出 $(a-b)^{3}$ 的标准展开式,再用立方体的体积切分解释这个公式。

公式推导

立方表示三个相同因式相乘。运算时先处理前两个括号,再把结果与第三个括号相乘。

$$(a-b)^{3} = (a-b)(a-b)(a-b)$$

先把立方写成三个相同因式相乘,这是展开运算的起点。

$$= (a^{2} - 2ab + b^{2})(a-b)$$

然后用完全平方公式展开前两个括号,并保留第三个括号。

$$= a^{2}(a-b) - 2ab(a-b) + b^{2}(a-b)$$

接着使用乘法分配律,让 $a^{2}$、$-2ab$、$b^{2}$ 分别乘第三个括号。

$$= a^{3} - a^{2}b - 2a^{2}b + 2ab^{2} + ab^{2} - b^{3}$$

把三个乘积分别展开,得到六项;同类项留到下一步合并。

$$= a^{3} - 3a^{2}b + 3ab^{2} - b^{3}$$

最后合并同类项:$-a^{2}b-2a^{2}b=-3a^{2}b$,$2ab^{2}+ab^{2}=3ab^{2}$。

通过以上代数运算,可以得到差的立方展开式。两个中间项的系数 $3$ 来自同类项的合并;正负号则来自展开时各项与 $-b$ 相乘的结果。下面再从体积切分的角度说明这四项的结构来源。

几何解析

在几何模型中,取 $a>b>0$,这样 $a$、$b$、$a-b$ 都可以表示立方体的边长。但是对于代数式并没有要求。

差的立方可以看作一个体积切割问题。从边长为 $a$ 的立方体出发,沿长、宽、高三个方向各减去 $b$,剩下部分就是边长都是 $a-b$ 的立方体。

而在拆去的过程中:先减去三片 $a^{2}b$,但这些部分有重合,必须加回三块 $ab^{2}$;加回之后,最角上的 $b^{3}$ 又被多算了一次,所以还要再减去 $b^{3}$。

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1从 $a^3$ 出发

整体是边长为 $a$ 的立方体

整体是边长为 $a$ 的立方体,体积是 $a^{3}$。每条边都减去一段 $b$ 后,留下的内侧立方体边长就是 $a-b$,我们要计算的目标体积就是 $(a-b)^{3}$。

$\begin{aligned} \text{原本体积:}a^{3} \end{aligned}$$\begin{aligned} \text{目标体积:}(a-b)^{3} \end{aligned}$
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2减去三片

三个方向各拆去一片 $a^{2}b$

从长、宽、高三个方向各拆去一片厚度为 $b$ 的板块。每片板块的底面面积是 $a^{2}$,体积就是 $a^{2}b$。三个方向各有一片,所以先减去 $3a^{2}b$。

但三片板块之间存在重合。直接减去三片板块,会把这些重合部分多减,因此还需要修正。

$a^{3} - 3a^{2}b$
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3加回重合

两两重合的 $ab^{2}$ 要加回来

相邻两片板块的重合部分被重复减掉了。每个重合部分的三条边分别是 $a$、$b$、$b$,体积是 $ab^{2}$。这样的重合共有三处,所以要加回 $3ab^{2}$。

$a^{3} - 3a^{2}b + 3ab^{2}$
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4再减角块

最后再减去共同重合的 $b^{3}$

三个方向共同重合的最角上是一块体积为 $b^{3}$ 的小立方体。加回三块 $ab^{2}$ 后,这块 $b^{3}$ 被多算了一次,所以还要再减去 $b^{3}$。

$(a-b)^{3} = a^{3} - 3a^{2}b + 3ab^{2} - b^{3}$

几何角度能够帮助我们看见四项的结构来源:从整体 $a^{3}$ 出发,减去三片 $a^{2}b$,加回三块重合的 $ab^{2}$,最后再减去角上的 $b^{3}$。

核心结论

$(a-b)^{3} =$ $\class{term-a3}{a^3}-\class{term-a2b}{3a^2b}+\class{term-ab2}{3ab^2}-\class{term-b3}{b^3}$
1

从代数运算看

$(a-b)^{3}$ 由三个 $a-b$ 相乘展开,再合并同类项。

2

从体积切分看

从 $a^{3}$ 中先减去三片 $a^{2}b$,再加回三块重合的 $ab^{2}$,最后减去角上的 $b^{3}$,就得到边长为 $a-b$ 的剩余立方体。